專利名稱：使用旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的高速高效率光學(xué)圖案生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及光學(xué)地生成圖的圖案，諸如點(diǎn)陣列或掃描線陣 列。更具體地，本發(fā)明涉及使用多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件生成這種圖案。
背景技術(shù)：
點(diǎn)或掃描線的圖案的光學(xué)生成用于很多應(yīng)用。數(shù)字復(fù)印機(jī)、打印 機(jī)、指紋識(shí)別、手持條形碼掃描儀、工業(yè)應(yīng)用、光影娛樂、顯示、電 信交換、以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用是幾個(gè)例子。或許用于生成圖的圖案的最普通 的機(jī)構(gòu)是傾料反射鏡(例如由檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)的震蕩反射鏡)和來自旋轉(zhuǎn) 多面棱體的反射。然而，基于傾料反射鏡的光學(xué)圖案生成器典型具有不適合于某些 應(yīng)用的特征。例如，在這些系統(tǒng)中的掃描典型地通過前后傾斜反射鏡 而實(shí)現(xiàn)。然而前后移動(dòng)需要反射鏡停止然后反轉(zhuǎn)方向。這花費(fèi)時(shí)間， 限制掃描速率。為了提高這些系統(tǒng)的掃描速率，反射鏡經(jīng)常以接近其 共振頻率的速率的震蕩移動(dòng)被驅(qū)動(dòng)。然而，這嚴(yán)格限制了可以生成的 圖案。例如，由于反射鏡移動(dòng)被約束為震蕩移動(dòng)，因此很難生成不規(guī) 則圖案。近共振(near-resonance)的條件也限制了能夠?qū)崿F(xiàn)的掃描 速率的范圍。例如，由于在寬的范圍上不能滿足近共振的條件，因此 很難在寬的掃描速率范圍上調(diào)諧這種系統(tǒng)。如果期望獲得二維圖案 (例如一系列平行掃描線或點(diǎn)的二維圖案)，則典型地，要么在兩個(gè)方向上同時(shí)傾斜單個(gè)反射鏡，要么使用兩個(gè)協(xié)同的傾斜反射鏡。在很 多情況下，使用諸如激光的光的效率也很重要。該效率可以定義為， 與光源在給定時(shí)間期間所產(chǎn)生的總能量相比，處理表面上的所需圖案 中儲(chǔ)存的能量的分?jǐn)?shù)。如果圖案與背景相比是稀疏的，優(yōu)選地關(guān)斷光 源，并且快速在背景上掃描，接著當(dāng)該光束已經(jīng)安置在要曝光的該點(diǎn) 之上時(shí)再將其接通，并且以在時(shí)間上有效地利用光源的方式來曝光該 圖案中的點(diǎn)。這需要一個(gè)能夠加速、減速、以及快速安置的甚至更易 響應(yīng)的裝置。這些特征的結(jié)果是，基于檢流計(jì)的系統(tǒng)不適合高速圖案 生成，尤其是如果圖案是不規(guī)則的或稀疏的圖案。在該旋轉(zhuǎn)多面棱體方法中，三維多面棱體的側(cè)面作為反射鏡，并 且多面棱體圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)。隨著每個(gè)反射側(cè)面旋轉(zhuǎn)通過入射光束， 反射該光束以便生成掃描線上的點(diǎn)。每個(gè)反射的側(cè)面旋轉(zhuǎn)通過光束產(chǎn) 生一條掃描線。如果所有的反射側(cè)面都相同(例如，基于多面棱體制造相同的棱錐角)，則相同的掃描線一遍又一遍地畫線(trace)。如果 反射側(cè)面不同，則隨著每個(gè)側(cè)面旋轉(zhuǎn)通過光束，可以畫出不同的掃描 線。例如，通過改變每個(gè)側(cè)面的棱錐角，反射光束可以畫出一系列掃 描線。然而，旋轉(zhuǎn)多面棱體方法也有不適合某些應(yīng)用的缺點(diǎn)。例如，產(chǎn) 生一 系列掃描線的系統(tǒng)會(huì)由于旋轉(zhuǎn)而遭受象差。為了畫出 一 系列掃描 線，每一側(cè)面都具有不同的棱錐角，該棱錐角將基本掃描線在垂直于 掃描方向的方向上偏移。然而，隨著每一側(cè)面旋轉(zhuǎn)通過光束，有角度 的側(cè)面的方向也旋轉(zhuǎn)。這會(huì)引起偏移量的變化和/或其他不希望的象 差。 一個(gè)例子是掃描線弓形。理想掃描線大體上是直線段，而實(shí)際掃 描線經(jīng)常是弧形段?；⌒味蔚拇苟仁枪巍Ｔ谛D(zhuǎn)多面棱體掃描儀的 情況下，具有非零棱錐角的側(cè)面生成弓形掃描線。弓形彎曲的量取決 于棱錐角。在使用不同棱錐角來畫多條掃描線或在不同位置上生成點(diǎn) 的光學(xué)多面棱體掃描儀中，不僅每條掃描線弓形彎曲，而且該弓形對(duì) 于一條掃描線和下一條掃描線是不同的。最上方的掃描線的弓形和最 下方的掃描線的弓形之間的差異會(huì)相當(dāng)顯著。取決于具體應(yīng)用，由旋轉(zhuǎn)引起的掃描線弓形和其他效果可以引起 其他問題。例如在一些應(yīng)用中，掃描動(dòng)作用于補(bǔ)償掃描儀相對(duì)于目標(biāo) 的移動(dòng)，使得即使掃描儀相對(duì)于該目標(biāo)移動(dòng)，光束仍理想地保持在目 標(biāo)的固定點(diǎn)上。在這種情況下，掃描線弓形將引起光束在垂直于掃描 方向的方向上的移動(dòng)。如果該移動(dòng)與光束在目標(biāo)上的停留時(shí)間相比很 慢，則該弓形有效地引入在垂直方向上的不希望的移動(dòng)。如果該移動(dòng) 與光束在目標(biāo)上的停留時(shí)間相比很快，則該徑向偏轉(zhuǎn)的弓形在與未補(bǔ) 償?shù)那芯€移動(dòng)組合時(shí)，有效地模糊該光束，增加了該光束在目標(biāo)上的 點(diǎn)的大小。典型地，以上兩種效果都是不期望的。因而，需要一種可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)圖案生成器，尤其用于生成 不規(guī)則圖案。還需要一種象差和/或模糊降低的圖案生成器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明以幾種方式克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性。在一個(gè)方面， 一個(gè)或更多個(gè)多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件引入了對(duì)旋轉(zhuǎn)不敏感的偏移。生成該偏移 的部件圍繞光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。因而，隨著光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)， 偏移部件的效果不改變。在另一個(gè)方面，兩個(gè)或更多個(gè)多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件用于抵消彼此產(chǎn) 生的不希望的效果。在一個(gè)例子中， 一個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件引入偏轉(zhuǎn)，但 也引入一些不希望的光焦度。第二旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件抵消該光焦度，同時(shí) 加強(qiáng)該偏轉(zhuǎn)。結(jié)果是不具有額外光焦度的偏轉(zhuǎn)光束。在另一個(gè)例子中， 旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件生成掃描線，并且由 一個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件引入的掃描線弓 形抵消由其他旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件引入的弓形，同時(shí)加強(qiáng)所希望的掃描。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)圖案生成器包括具有多個(gè)面的多面旋轉(zhuǎn)光 學(xué)元件。隨著面旋轉(zhuǎn)通過光束，每個(gè)面使入射光束生成圖(例如點(diǎn)或 掃描線)。各面共同生成圖陣列。 一個(gè)或更多面包括這樣的偏移部件， 該偏移部件基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，并且其中心基本上在旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的旋 轉(zhuǎn)軸土。該偏移部件沿著偏移方向偏移圖，該偏移方向大體上與4t專爭(zhēng) 光學(xué)元件的徑向方向?qū)?zhǔn)。在一種實(shí)施中，不同的面將圖偏移不同的量.該面可以布置為使得圖偏移不均勻的量，和/或以非順序的次序生 成。在一些實(shí)施例中，圖可以比點(diǎn)或掃描線更復(fù)雜，并且圖可以隨著 時(shí)間改變。此外，圖案生成器可以與另一個(gè)移動(dòng)或掃描反射鏡組合。 所得圖案可以是諸如視頻顯示中的變化的二維圖像。在一個(gè)特別的設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)相互對(duì)轉(zhuǎn)(counter-rotating)的掃 描盤，其具有一一對(duì)應(yīng)的面。對(duì)于至少一對(duì)相應(yīng)的面，兩個(gè)掃描盤上 的面包括上述的偏移部件。偏移部件被實(shí)施為在一個(gè)掃描盤上的正透 鏡狀的元件，以及在另一個(gè)掃描盤上的負(fù)透鏡狀的元件。在一些應(yīng)用 中，透鏡狀元件的焦度在面與面之間是不同的，不同的面引入不同的 偏移。該面還可以包括掃描部件，以生成掃描線，例如，在一個(gè)面上 的掃描部件引入弓形，該弓形抵消另一個(gè)面上的掃描部件引入的弓 形。在另一個(gè)方面，光學(xué)圖案生成器沿掃描線陣列偏轉(zhuǎn)光軸。光學(xué)圖 案生成器包括兩個(gè)多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件，其中一個(gè)光學(xué)元件位于另一個(gè) 的下游。該兩個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件相互對(duì)轉(zhuǎn)，并且具有對(duì)應(yīng)的面。隨著這 些面旋轉(zhuǎn)通過光軸，這些面引起光軸沿掃描線偏轉(zhuǎn)。光學(xué)元件還可以 實(shí)施弓形修正和/或掃描線偏移，如上所述。此類型的圖案生成器可 以用于多種不同的應(yīng)用，包括生成光學(xué)圖的系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。在另一個(gè)方面，不同的裝置包括上述的偏移功能、掃描線功能、 和抵消原理的各種組合。在一些實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件與常規(guī)掃描 儀組合。本發(fā)明的其他方面包括對(duì)應(yīng)上述裝置的方法，以及對(duì)前述全 部的應(yīng)用，例如包括使用掃描線補(bǔ)償移動(dòng)。


本發(fā)明具有其他優(yōu)勢(shì)和特征，這些優(yōu)勢(shì)和特征從結(jié)合附圖對(duì)本發(fā) 明的以下詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書中將更加明顯，在附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光學(xué)圖案生成器的側(cè)截面圖。 圖1B是圖IA的圖案生成器的光學(xué)鏈的透視圖。 圖1C是示出了掃描線的偏移的圖。圖2是通過兩個(gè)偏移部件的光線軌跡(ray trace )。 圖3A是示出了偏移圖案的圖。圖3B是用于生成圖3A的偏移圖案的掃描盤的頂視圖。 圖4A是圖1的圖案生成器的旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的頂視圖。 圖4B是示出了由圖4A的旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件產(chǎn)生的掃描線的弓形修正 的圖。圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)圖案生成器的透視圖。 圖5B是通過圖5A的圖案生成器的光線軌跡。 圖6是通過根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)圖案生成器的光線軌跡。 圖7A-7C是示出了由使用根據(jù)本發(fā)明的圖案生成器的系統(tǒng)生成的 各種圖案的圖。
具體實(shí)施方式
圖1A-1C示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)圖案生成器100的一個(gè)例子。 圖案生成器100的光學(xué)鏈包括一個(gè)或更多光源110A-E,以及一個(gè)或 更多個(gè)多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件120A-B。它還可以包括額外的光學(xué)部件 130A-B，用于當(dāng)光束通過光學(xué)鏈到目標(biāo)表面150時(shí)對(duì)光束進(jìn)行成形。光源IIO產(chǎn)生入射到旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件120上的光束。每個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué) 元件120具有若干個(gè)面，并且一個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件120上的面具有在其 他光學(xué)元件120上的對(duì)應(yīng)的面。光學(xué)元件120的旋轉(zhuǎn)是同步的，使得 對(duì)應(yīng)的面同步地S走轉(zhuǎn)通過入射光束，當(dāng)面旋轉(zhuǎn)通過光束時(shí)，光束在目標(biāo)表面150上生成圖140A-E。在 此例中，圖140A-E是掃描線，然而它們?cè)谔鎿Q實(shí)施例中也可以是點(diǎn) 或其他形狀。在圖1A中，掃描方向142進(jìn)入和離開紙面。這些面還 在垂直于掃描方向142的方向144上偏移掃描線140。例如，參考圖 1C,掃描盤上的一組對(duì)應(yīng)的面可以產(chǎn)生該組掃描線140A-E,由相應(yīng)的 光束來畫五條掃描線中的每一條。下一組對(duì)應(yīng)的面可以產(chǎn)生掃描線 141A-E,其關(guān)于掃描線140偏移了量A。為便利起見，這些面中使光束畫掃描線的部分可以被稱為掃描部件，并且使掃描線偏移的部分可以被稱為偏移部件。這些可以被實(shí)施
為物理上的明顯不同的部件，例如，掃描部件可以附著在光學(xué)元件120 的一側(cè)，并且偏移部件附著在相反側(cè)。作為替換，它們可以;故整合到 一個(gè)單個(gè)部件中。例如，可以使用大體上的非球面，該非J求面既實(shí)施
掃描也實(shí)施偏移功能。作為替換，掃描和偏移功能可以由一個(gè)球面生 成，該球面的對(duì)稱軸稍微從其所安裝的盤的旋轉(zhuǎn)軸移位。此外，此示 例圖案生成器具有掃描和偏移功能，但是替換的實(shí)施例可以僅利用掃 描或僅利用偏移。
在圖1中所示的具體例子中，使用五根光纖作為光源110。準(zhǔn)直 光學(xué)部件130A使來自五根光纖的光束準(zhǔn)直。兩個(gè)掃描盤120A-B位于 平面160的附近，每一個(gè)掃描盤位于該平面的一側(cè)。平面160是這五 條光束的主光線交叉的地方。掃描盤的旋轉(zhuǎn)軸125位于光束的相對(duì)側(cè)。 掃描盤120是相互對(duì)轉(zhuǎn)的(即，如果一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則另一個(gè)逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn))，使得對(duì)應(yīng)的面在旋轉(zhuǎn)通過光束時(shí)大體上一起行進(jìn)。聚焦光 學(xué)部件130B將偏轉(zhuǎn)的準(zhǔn)直光束重新聚焦在目標(biāo)表面150上的點(diǎn)上。 由于各面的掃描動(dòng)作，這些點(diǎn)畫出掃描線140,并且該掃描線由于這 些面的偏移動(dòng)作而偏移。電機(jī)旋轉(zhuǎn)該掃描盤120。
圖2示出了這些面的偏移部件。在常規(guī)方法中，生成偏移的偏移 部件可以是棱鏡。然而，隨著掃描盤旋轉(zhuǎn)，該棱鏡也旋轉(zhuǎn)，并且這引 入不希望的效果，諸如無心的光束掃描。為了避免此效果，此例中的 偏移部件關(guān)于相應(yīng)于光學(xué)元件120的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。則，當(dāng)光學(xué)元 件120旋轉(zhuǎn)時(shí)，偏移部件的光學(xué)效果沒有變化。這種偏移部件的一個(gè) 例子是球面的一部分，其中球面的軸與掃描盤的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)。具有較 短半徑的球面導(dǎo)致球面在光束的中心線上的更大的偏移。
圖2示出了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偏移部件的具體例子。在這種情況下，兩個(gè) 掃描盤120A-B上的偏移部件是中心在掃描盤的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸125A-B上 的透鏡320。偏移部件具有大小相等，但是符號(hào)相反的光焦度，并且 該光束210位于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸125之間的中途上。在圖2中，偏移部件 320A是具有負(fù)(發(fā)散)光焦度的透鏡，并且偏移部件320B是具有正焦度的透鏡。
由于透鏡320A的發(fā)散特性，在經(jīng)過此透鏡之后，光看上去是從 位于透鏡的旋轉(zhuǎn)軸(在這種情況下，也是掃描盤的旋轉(zhuǎn)軸125A)上的 一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的。由于光束210的直徑與透鏡320A相比很小，這 個(gè)效果主要是光束210離開旋轉(zhuǎn)軸125A的偏轉(zhuǎn)。此外，光束中的單 條光線開始彼此發(fā)散，如果允許傳播長距離，則該光束將開始變寬。 然而，光束很快到達(dá)第二偏移部件320B，其光焦度與第一偏移部件的 光焦度近似相等但符號(hào)相反。該光束匯聚成基本上準(zhǔn)直。此外，由于 與負(fù)透鏡320A的軸125A相比，正透鏡320B的旋轉(zhuǎn)軸125B在光束的 相反側(cè)，由第二透鏡320B給予的偏轉(zhuǎn)加到由第一透鏡320A給予的偏 轉(zhuǎn)上。凈余的結(jié)果是，進(jìn)入的準(zhǔn)直光束離開兩個(gè)掃描盤120，其仍然 準(zhǔn)直，但是偏轉(zhuǎn)了一個(gè)量。此外，由于偏移部件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱， 因此此偏轉(zhuǎn)量和射出的光束形狀不隨著掃描盤120旋轉(zhuǎn)而改變。
圖2示出了透鏡320A和320B作為全部透鏡。為了圖示目的而這 樣做。在實(shí)際實(shí)施中，每個(gè)透鏡320并不覆蓋全部掃描盤120。而是 每個(gè)透鏡覆蓋掃描盤上的一個(gè)面。不同面可以使用不同焦度的透鏡。 例如， 一對(duì)相應(yīng)的面可以包括強(qiáng)的正透鏡和強(qiáng)的負(fù)透鏡，因而引起強(qiáng) 的偏轉(zhuǎn)。下一對(duì)相應(yīng)的面可以包括較弱的正透鏡和較弱的負(fù)透鏡，因 而引起較弱的偏轉(zhuǎn)。隨著不同對(duì)的面旋轉(zhuǎn)通過入射光束，由于透鏡的 不同光焦度，該光束偏轉(zhuǎn)不同的量。然而，光束全部顯現(xiàn)為準(zhǔn)直。因 而，聚焦光學(xué)部件可以用來將顯現(xiàn)出的光束會(huì)聚到平坦對(duì)象區(qū)域上。
使用多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件實(shí)施偏移具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，其中 一 些優(yōu) 勢(shì)在圖3A-3B中示出。圖3A示出了要生成的偏移341-349。注意，圖 3A是對(duì)偏移圖案的描繪。如果由系統(tǒng)生成的圖是點(diǎn)，則將生成偏移點(diǎn) 的陣列。如果圖是掃描線，則將生成偏移掃描線的陣列。如果使用多 個(gè)光束(如圖1)，則將重復(fù)基本圖案。如果使用在時(shí)間上變化的更復(fù) 雜的對(duì)象源，則該源的圖像將被重復(fù)，并且在時(shí)間上變化。圖3B示 出了用于生成這些偏移的一對(duì)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件中的一個(gè)。該旋轉(zhuǎn)光學(xué)元 件具有面361-369等等。一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，每個(gè)偏移141-149由對(duì)應(yīng)的一對(duì)面361-369生成， 但是這些面可以被設(shè)計(jì)為彼此獨(dú)立。因此，該偏移可以間隔不均勻， 如圖3A所示。此外，可以以非順序的次序生成這些圖。即，不需要 面361生成偏移341、面362生成偏移342、面363生成偏移343等。 而是面361-369可以分別生成偏移341、 344、 347、 342、 348、 343、 345、 349和346。當(dāng)這些面旋轉(zhuǎn)通過光束時(shí)，將以這種非順序的次序 生成這些圖。也可以通過添加對(duì)應(yīng)的面，復(fù)合曝光這些圖。例如，面 361、 364、和367可以都生成偏移344。此特性允許生成不^L則圖案。 可以通過使用兩個(gè)交又的系統(tǒng)來生成不規(guī)則二維圖案， 一個(gè)引起x方 向上的偏轉(zhuǎn)，另一個(gè)引起y方向上的偏轉(zhuǎn)?？商鎿Q地，此方法可以和 普通檢流計(jì)反射鏡或多面棱體反射鏡掃描儀組合，以創(chuàng)建二維圖案。
另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是此方法的速度。盤可以非常高速旋轉(zhuǎn)。例如，如果 盤包含30個(gè)面，并且以10， OOOrpm的速度旋轉(zhuǎn)，則如果具有單光束 光源，系統(tǒng)將每秒生成5， 000幅圖。如果光源具有N個(gè)光束，則將每 秒生成5,000N幅圖。此外，由于不需要停留在共振頻率附近，所以 速度可以在一個(gè)寬的范圍上變化。在一種方法中，驅(qū)動(dòng)軸或盤本身被 編碼，并且此反饋用于控制盤的速度和用于使盤彼此同步。
如果偏移部件是嚴(yán)格地旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，并且其中心嚴(yán)格地在光學(xué)元 件的旋轉(zhuǎn)軸上，則當(dāng)偏移部件旋轉(zhuǎn)通過光束時(shí)，徑向方向上的偏移將 不變化。如果這些面上沒有其他部件，則系統(tǒng)將生成在徑向方向上偏 移的點(diǎn)陣列。
然而，在很多應(yīng)用中，打破嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱是有優(yōu)勢(shì)的。例如， 小量的非對(duì)稱可以添加到偏移部件中，以便修正其他象差。可替換地， 該偏移部件可以稍孩i地從光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)軸離心，例如以便引入掃描 移動(dòng)。任何掃描移動(dòng)都可以分解為徑向分量和切向分量。圖2中的對(duì) 稱性允許兩個(gè)盤被設(shè)計(jì)為使得來自相應(yīng)面的徑向分量抵消，并且切向 分量增強(qiáng)。例如，如果兩個(gè)透鏡320A和320B具有相同(但是符號(hào)相 反的)焦度，它們可以關(guān)于其旋轉(zhuǎn)軸125朝向彼此或者彼此離開地離 心相同的量。由于來自兩個(gè)透鏡320的徑向掃描作用抵消，該結(jié)果是一條純粹在切向方向上的掃描線。
圖4A-4B還示出了如何將各面設(shè)計(jì)為其徑向掃描作用抵消。掃描 部件通常在其旋轉(zhuǎn)通過入射光束時(shí)引入掃描線的弓形。在這種情況 下，雖然每個(gè)掃描盤上的掃描部件可以引入弓形，將兩個(gè)掃描部件設(shè) 計(jì)為使得不同弓形彼此抵消，并且降低或消除總的弓形。
掃描部件的一個(gè)例子是偏心透鏡。大體上，偏心透鏡與離心量成 比例地產(chǎn)生光線方向上的變化。即，A6-5x/f，其中A6是光線方 向上的變化，5x是離心量，并且f是透鏡的焦距。因而，可以通過
移動(dòng)透鏡通過光束來創(chuàng)建掃描線。
參考圖4A-4B, ^底設(shè)該時(shí)刻^f義有一個(gè)掃描盤120A,光束210法向 地射入掃描盤120A,并且當(dāng)前面的掃描部件具有與正光焦度透鏡相同 的光學(xué)效果(也可以使用負(fù)光焦度透鏡)，如圓形220表示。圓形表 示不意味著暗示掃描部件在形狀上必須是圓形。例如，它可以具有與 面相同的形狀。光束起初被引導(dǎo)到圓形220的中心。隨著面旋轉(zhuǎn)通過 光束210,圓形220的中心也圍繞旋轉(zhuǎn)軸125A旋轉(zhuǎn)。所得掃描線追隨 透鏡的移動(dòng)，畫出如圖4B所示的弧形240A。弧形的垂度是此掃描線 的弓形。
可以降低或者甚至消除此弓形。如果掃描盤120B上的掃描部件 也是具有正光焦度的透鏡，則它將畫出弧形240B。但是此弧形向弧形 240A的相反方向彎曲。這兩個(gè)弓形彼此抵消，導(dǎo)致掃描更快且更長并 且彎曲更少的凈余掃描線245。在一些情況下，該弓形可以被全部消 除。例如，這將是如下情況如果掃描盤12QA-B彼此接近(使得掃 描盤之間的傳播具有可忽略的作用)，從光束210到每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸125 的距離相同，并且兩個(gè)掃描部件是位于其相應(yīng)面上的相同相關(guān)位置上 的具有相同光焦度的透鏡。
注意，以上利用具體例子描述了偏移生成和掃描線生成。這是為 了清楚的目的，并且本發(fā)明不限于這些例子。例如，不局限于單條光 束(例如圖1示出了五條光束的情況)，也不局限于單個(gè)面，也不限 于在整個(gè)掃描盤上復(fù)制的完全相同的面。每個(gè)掃描盤12 0包括多個(gè)面，并且每一套相應(yīng)面產(chǎn)生一幅圖(例如點(diǎn)或掃描線)。如果掃描盤上的 面全都相同，則將以相同偏移再三反復(fù)相同的圖。
但是面也可以不同，以便產(chǎn)生不同的圖或具有不同偏移的圖。例 如，可以在不同面上使用不同掃描部件，以便生成不同長度的掃描線。 類似地，可以在不同面上使用不同偏移部件(例如具有不同光焦度的 透鏡)，以便生成不同偏移。此外，可以用各種方式組合掃描部件和 偏移部件，以便實(shí)現(xiàn)不同的掃描圖案。此外，不需要對(duì)每個(gè)面使用上 述的弓形修正和偏移部件。例如，特定的面可以被設(shè)計(jì)用于零偏移， 在這種情況下，偏移部件不是必需的?；蛘?，可能有一套N個(gè)不同偏
移用于整個(gè)圖案，N個(gè)偏移之一為零。在這種情況下，多數(shù)面而不是
所有面會(huì)使用偏移部件。在一些應(yīng)用中，或者對(duì)一些面，通過常規(guī)技 術(shù)引入的不希望的作用可能是可以容忍的，使得弓形修正和/或偏移 技術(shù)不是必需的。在另一種極端情況下，在一些應(yīng)用中，每個(gè)面都可 以使用上述的弓形修正和/或偏移部件。
掃描部件和偏移部件的物理實(shí)現(xiàn)也可以變化。對(duì)于包括分立掃描
次序放置。掃描部件和偏移部件也可以整合為一個(gè)單個(gè)光學(xué)部件。例 如，在上述的基于透鏡的設(shè)計(jì)中，掃描部件實(shí)施為其中心在與光束大 約相同的半徑位置的透鏡，并且偏移部件實(shí)施為其中心在掃描盤的旋 轉(zhuǎn)軸上的透鏡。對(duì)于第一種近似，這兩個(gè)透鏡的凈余作用與光焦度近 似等于掃描部件和偏移部件的光焦度的和、并且中心軸位于別處的單 個(gè)透鏡的作用相同。因而，這兩個(gè)部件可以實(shí)施為一個(gè)單個(gè)透鏡。雖 然通常期望入射光束和離開相互對(duì)轉(zhuǎn)的盤的光束準(zhǔn)直，由于可以修改 聚焦出射光束的物鏡以在掃描光束中適應(yīng)焦度，因此這不是對(duì)實(shí)際使 用的要求。在一些情況下，甚至可以適應(yīng)來自不同面組的不同的焦度量。
此外，以上所示的例子使用了透射面，但是也可以使用反射或混 合設(shè)計(jì)。掃描部件和偏移部件也可以基于折射、反射、衍射、或它們 的組合。反射鏡、常規(guī)透鏡、非球面、菲涅爾透鏡、開諾全息照片(kinoform)、衍射和全息光學(xué)部件是可能的物理實(shí)施的例子。將使用 術(shù)語"透鏡狀光學(xué)元件"表示對(duì)應(yīng)于折射透鏡的折射透鏡、曲面反射 鏡、全息透鏡、以及其他光學(xué)元件。
圖5A-5B示出了反射設(shè)計(jì)。在此例中，光源是波長為1535nm的 光纖激光。準(zhǔn)直光學(xué)部件130A將進(jìn)入的光束校準(zhǔn)到兩個(gè)反射旋轉(zhuǎn)掃 描盤120A-120B上，該兩個(gè)掃描盤120A-120B從法線傾斜19度。每 個(gè)掃描盤120的直徑近似為30-50mm,每個(gè)掃描盤120具有15-30個(gè) 面。這些面典型地在切線方向上大約延伸5mm,并且稍微小于徑向方 向上地延伸。入射光束直徑大約為1.0-L5mm。聚焦光學(xué)部件130B 包括用于將偏轉(zhuǎn)光束聚焦到目標(biāo)上的三合透鏡(triplet )。圖5示出 了在五個(gè)不同偏移541-545上的光束。具有15-30個(gè)偏移(每個(gè)面有 一個(gè)偏移)，對(duì)于約15mm的整個(gè)目標(biāo)寬度，這些偏移均勻地彼此隔開 大約0. 75mm。
此特定的例子是為2003年2月14日申請(qǐng)的共同待審的美國專利 申請(qǐng)No. 1 0/367， 582， "Method and Apparatus for Treating skin using Patterns of optical Energy (使用光能量圖案治療皮膚的方 法和設(shè)備)"、以及2003年7月11日申請(qǐng)的No. 60/486， 304, "Method and Apparatus for Fractional Phototheropy of skin (用于皮膚 的分段光線療法的方法和設(shè)備)"中描述的醫(yī)學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，這兩 個(gè)專利申請(qǐng)作為參考引入本文。在該申請(qǐng)中，光學(xué)掃描儀掃過皮膚。 掃描移動(dòng)進(jìn)入和離開圖5中的紙面。實(shí)際掃描線很短，典型地為 0. lmm,并且主要用于補(bǔ)償掃略移動(dòng)。替換實(shí)施例應(yīng)用短于1mm的掃 描線。結(jié)果，在單個(gè)面的掃描持續(xù)時(shí)間內(nèi)，光束保持聚焦在皮膚上的 單個(gè)點(diǎn)上。對(duì)于關(guān)于移動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)一步的細(xì)節(jié)，見2003年12月23 日申請(qǐng)的共同未決的美國專利申請(qǐng)序號(hào)No. ***[代理機(jī)構(gòu)案巻號(hào) 8553], "Method And Apparatus for Monitoring and Controlling Laser—Induced Tissue Treatment (用于監(jiān)一見牙口4空制;斂光感應(yīng)的纟且織 治療的方法和設(shè)備)"，并且該申請(qǐng)引入本文作為參考。當(dāng)下一個(gè)面進(jìn) 入光束時(shí)，在不同的位置生成另一個(gè)治療點(diǎn)。將盤120設(shè)計(jì)為以高達(dá)6000rpm的速率旋轉(zhuǎn)，得到高達(dá)3000點(diǎn)每秒的治療速率。圖6是使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件的光學(xué)圖案生成器的例子。進(jìn)入的 光束通過光纖110到達(dá)準(zhǔn)直光學(xué)部件i30A，并且由該準(zhǔn)直光學(xué)部件 130A進(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直光束入射在旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件120上。在圖6中，光 學(xué)元件120被描繪為透鏡，以便圖示偏移功能。在實(shí)際中，光學(xué)元件 120包括大約20個(gè)面，每個(gè)面具有偏移部件，該每個(gè)偏移部件被實(shí)施 為中心在旋轉(zhuǎn)軸125上的透鏡。每個(gè)透鏡具有不同的焦度，并且對(duì)進(jìn) 入的光束偏轉(zhuǎn)不同的量。圖6示出了所有二十個(gè)偏轉(zhuǎn)光束641-649。 最弱的透鏡生成偏轉(zhuǎn)最少的光束641，并且最強(qiáng)的透鏡生成偏轉(zhuǎn)最多 的光束649。然而，不同焦度的透鏡還引入對(duì)每一個(gè)光束641-649的 不同量的聚焦。在圖2中，這由焦度相等但符號(hào)相反的第二透鏡抵消。 在此例中，使用梯形類型的反射鏡陣列632以便單獨(dú)地將每個(gè)光束 641-649改變方向到目標(biāo)，并且透鏡陣列634單獨(dú)地將每個(gè)光束 641-649聚焦到目標(biāo)150上。雖然上述描述包括很多細(xì)節(jié)，但是它們不應(yīng)該被解釋為限制本發(fā) 明的范圍，而是僅僅作為說明本發(fā)明的不同例子和方面。例如，除了 上述醫(yī)學(xué)應(yīng)用之外的應(yīng)用也是很明顯的，包括各種激光材料處理應(yīng) 用、打印/拷貝、激光顯示系統(tǒng)、以及材料的直接標(biāo)記。光學(xué)圖案生 成器的具體設(shè)計(jì)取決于應(yīng)用。例如，光束的波長部分取決于應(yīng)用。即 使是在皮膚病學(xué)領(lǐng)域中，具有不同波長的激光用于不同外科手術(shù)應(yīng)用 中。皮膚病治療激光源的例子包括二極管激光、二極管激發(fā)式固態(tài)激 光、Er:YAG激光、Nd: YAG激光、氬離子激光、氦氖激光、二氧化碳 激光、激態(tài)原子激光、鉺光纖激光、以及紅寶石激光。這些裝置產(chǎn)生 波長在可見光譜范圍內(nèi)(0. 4-0. 7jim)、以及紅外(0. 7-11 jam)和 UV(O. 18-0. 40pm)范圍的激光束。應(yīng)該注意，諸如"光學(xué)"和"光" 的術(shù)語意味著包括所有這些和其他波長區(qū)域，而不僅僅是可見光譜范 圍。取決于應(yīng)用，所生成的圖也可以采取不同形式。在很多應(yīng)用中， 重復(fù)地畫單個(gè)連續(xù)掃描線。在一些應(yīng)用中，產(chǎn)生一系列平行掃描線，^:此^f黃向地偏移。掃描線也可以是一系列點(diǎn)，而不是連續(xù)的線，例如 如果在掃描過程中源激光脈沖接通和關(guān)斷。作為最后的例子，掃描也 可以用于補(bǔ)償移動(dòng)，使得即使掃描裝置相對(duì)于目標(biāo)移動(dòng)，掃描點(diǎn)也保 持在目標(biāo)上的固定位置。其他各種變化也是明顯的。作為不同變化的另 一 個(gè)例子，旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件12 0的數(shù)量可以變化。 上述例子(除了圖6以外)都使用了一對(duì)掃描盤，但這并不是一個(gè)要求。例如，可以使用兩對(duì)或更多對(duì)旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件。作為另一個(gè)例子， 通過將其中 一 個(gè)掃描盤分離成兩個(gè)掃描盤，雙盤設(shè)計(jì)可以被轉(zhuǎn)化為三盤設(shè)計(jì)。在圖3中，正透鏡320B可以被分離為兩個(gè)具有半焦度的正 透鏡， 一個(gè)置于負(fù)透鏡320A的上游，另一個(gè)置于負(fù)透鏡320A的下游。本圖案生成器也可以用于多種不同的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件將偏轉(zhuǎn) 引入整個(gè)系統(tǒng)的光軸。如果這些面包括偏移部件，則該偏轉(zhuǎn)包括大體 上沿徑向方向的偏移。如果這些面包括掃描部件，則偏轉(zhuǎn)包括掃描線， 典型地沿切向方向的掃描線。例如，使用20mm焦距物鏡的具有l(wèi)隱 掃描線的系統(tǒng)將引入0.05弧度的偏轉(zhuǎn)。不同應(yīng)用可以使用以上的任 何一種，或者使用它們?nèi)?，很可能是與其他偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合。例如，圖7A-7C示出了使用圖案生成器的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的不同圖 案。在圖7A中，圖案生成器光學(xué)地輻合到另一掃描裝置，諸如常規(guī) 多面棱體掃描儀。該常規(guī)掃描裝置單獨(dú)地可以產(chǎn)生掃描線，諸如711。 圖案生成器生成一個(gè)純偏移(沒有掃描)，如掃描線711-714之間的 偏移所描繪。圖案生成器在比其他掃描裝置快得多的速率下操作。因 而，在常規(guī)掃描儀產(chǎn)生一個(gè)掃描線所需的時(shí)間中， 一套偏移循環(huán)多次。 所得的圖案是如圖7A所示的一套"劃線"721。每條劃線721對(duì)應(yīng)旋 轉(zhuǎn)通過入射光束的一個(gè)面(或一套對(duì)應(yīng)的面)。在圖7B的例子中，圖案生成器上的面也包含掃描部件，該掃描 部件抵消常規(guī)掃描裝置產(chǎn)生的掃描。因而，圖7A中的劃線721被壓 縮為圖7B中的點(diǎn)722。當(dāng)每個(gè)面旋轉(zhuǎn)通過入射光束時(shí)，面上的掃描部 件抵消常規(guī)掃描儀，因而將光束保持在固定位置。當(dāng)下一個(gè)面旋轉(zhuǎn)到 位時(shí)，光束跳躍到下一位置，在本例中，該位置也包括橫向偏移。在圖7C中，圖案生成器不引入橫向偏移。而是圖案生成器中的 該掃描部件;f氐消產(chǎn)生點(diǎn)722的行711的常M^3描^f義。當(dāng)該^f亍完成時(shí)， 引入了偏移(例如由另一常規(guī)掃描儀引入)，以便產(chǎn)生下一行712的 點(diǎn)。以這種方式，可以建立顯示。作為最終的例子，光學(xué)圖案生成器也可以用于成像或者感測(cè)系 統(tǒng)。在一種情況下，對(duì)象源位于掃描儀的焦平面，并且傳感器(諸如 CCD)位于掃描儀的相對(duì)端。例如，掃描部件可以用于補(bǔ)償要被成像 的對(duì)象的移動(dòng)，而不是使用掃描部件補(bǔ)償來自常規(guī)掃描儀的掃描。實(shí) 質(zhì)上，掃描可以用于圖像拍攝中的模糊消去?？梢栽诔咚賿呙枵障?機(jī)中找到應(yīng)用。雖然上述描述包含很多細(xì)節(jié)，但是它們不應(yīng)該被解釋為限制本發(fā) 明的范圍，而是僅僅作為說明本發(fā)明的不同例子和方面。應(yīng)該理解， 本發(fā)明的范圍包括沒有在前文中詳細(xì)描述的其他實(shí)施例。可以在于此 公開的本發(fā)明的方法和設(shè)備的布置、操作和細(xì)節(jié)方面做出對(duì)于本領(lǐng)域 中的技術(shù)人員明顯的各種其他修改、變化、和改變，而不偏離由所附 權(quán)利要求限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附 權(quán)利要求極其法律上的等同物確定。此外，不論元件、部件或方法步 驟是否明確地記載在權(quán)利要求中，不意圖將這些元件、部件或方法步 驟奉獻(xiàn)給公眾。
權(quán)利要求
1.一種用于生成沿偏移方向偏移的圖陣列的光學(xué)圖案生成器，該圖案生成器包括第一多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件，其具有第一旋轉(zhuǎn)軸和圍繞該第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的多個(gè)不同面，其中，隨著每個(gè)面旋轉(zhuǎn)通過入射光束，每個(gè)面使得入射光束從該圖陣列中生成一幅圖；其中圖陣列包括掃描線的陣列，以及所述掃描線補(bǔ)償目標(biāo)的相對(duì)移動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的圖案生成器，其中該圖案生成器在目標(biāo)上 生成點(diǎn)的陣列。
3. 如權(quán)利要求1所述的圖案生成器，其中該圖陣列中的圖偏移不 均勻的量。
4. 如權(quán)利要求1所述的圖案生成器，其中該圖以非順序的次序生成。
5. 如權(quán)利要求1所述的圖案生成器，其中一個(gè)或更多個(gè)面包括偏 移部件，該偏移部件基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，其中心基本上在第一光學(xué)元件的 第一旋轉(zhuǎn)軸上，并且沿偏移方向偏移該圖，其中該偏移方向總體上與光 學(xué)元件的徑向方向?qū)?zhǔn)。
6. 如權(quán)利要求5所述的圖案生成器，其中多數(shù)的面包括所述偏移 部件。
7. 如權(quán)利要求6所述的圖案生成器，其中每個(gè)偏移部件包括透鏡 狀光學(xué)元件，并且該透鏡狀光學(xué)元件的光焦度對(duì)于每個(gè)面是不同的，從 而不同的面引入不同的偏移。
8. 如權(quán)利要求5所述的圖案生成器，其中該偏移部件的中心在第 一光學(xué)元件的第 一旋轉(zhuǎn)軸上。
9. 如權(quán)利要求5所述的圖案生成器，其中該偏移部件是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。
10. 如權(quán)利要求5所述的圖案生成器，其中每個(gè)偏移部件包括透鏡狀光學(xué)元件。
11. 如權(quán)利要求1所述的圖案生成器，還包括第二多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元 件，其具有第二旋轉(zhuǎn)軸和圍繞該第二旋轉(zhuǎn)軸4t轉(zhuǎn)的多個(gè)面，該第二光學(xué)元件位于第一光學(xué)元件的下游，其中第一光學(xué)元件上的每個(gè)面都具有在 第二光學(xué)元件上的對(duì)應(yīng)的面，第一和第二光學(xué)元件相互對(duì)轉(zhuǎn)，以及對(duì)應(yīng) 的面同步旋轉(zhuǎn)通過光束，并且隨著對(duì)應(yīng)的面旋轉(zhuǎn)通過該光束，使光束從圖陣列中生成圖；以及對(duì)于包括所述偏移部件的第 一光學(xué)元件上的至少 一個(gè)面，第二光學(xué)元件上的對(duì)應(yīng)的面包括偏移部件，該偏移部件基本上 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，其中心基本上在第二光學(xué)元件的第二旋轉(zhuǎn)軸上，并且其沿著 偏移方向偏移該圖。
12. 如權(quán)利要求11所述的圖案生成器，其中在對(duì)應(yīng)的面上的該偏 移部件具有符號(hào)相反的光焦度。
13. 如權(quán)利要求12所述的圖案生成器，其中，對(duì)于至少一對(duì)對(duì)應(yīng) 的面，該對(duì)面中的一個(gè)面上的偏移部件包括具有正光焦度的透鏡狀光學(xué) 元件，以及該對(duì)面中的另 一個(gè)面上的偏移部件包括具有負(fù)光焦度的透鏡 狀光學(xué)元件。
14. 如權(quán)利要求11所述的圖案生成器，其中，對(duì)于至少一對(duì)對(duì)應(yīng) 的面，該一對(duì)面中的一個(gè)面引入由于第一光學(xué)元件的4^轉(zhuǎn)所致的掃描線 中的第一弓形，并且該一對(duì)面中的另一個(gè)面引入由于第二光學(xué)元件的旋 轉(zhuǎn)所致的掃描線中的第二弓形，該第二弓形抵消該第 一 弓形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)圖案發(fā)生器，其包括一個(gè)或更多個(gè)多面旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件引入對(duì)旋轉(zhuǎn)不敏感的偏移。生成偏移的部件圍繞光學(xué)元件的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。因而隨著光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)，偏移部件的效果不變。此外，可以將旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件設(shè)計(jì)為彼此抵消不希望的光學(xué)效果。
文檔編號(hào)G02B26/12GK101256282SQ20081008041
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者喬治·弗蘭基尼斯, 倫納德·C·迪拜尼迪克蒂斯, 戴維·C·納波斯 申請(qǐng)人:雷利恩特技術(shù)公司